p atmosferyczne =po p(h) p(h) = p atmosferyczne + p hydrostatyczne (h) p hydrostatyczne

Transkrypt

1 Cykl wykładów 2007 dla kandydatów na stopnie P1 i P2 Zbigniew Niedzielski na podstawie prezentacji Witka Trybały Podstawy fizyki nurkowania Witold Trybała

2 Odmienne warunki środowiska wodnego Wysokie i zmienne wraz z głębokością ciśnienie. Problemy z pływalnością-prawo Archimedesa. Komplikacje wynikające z oddychania sprężonymi mieszankami gazowymi - prawa gazowe. Oszukane zmysły człowieka pod wodą: optyka podwodna, propagacja fal akustycznych pod wodą. Szybkie wychładzanie organizmu człowieka. 2

3 Ciśnienie Pod wodą występuje wysokie, zależne od głębokości, ciśnienie. Co to jest ciśnienie? Q Ciśnienie to siła a działaj ająca na jednostkę powierzchni. Jeżeli eli ciśnienie oznaczamy literą p to możemy zapisać: p = Q/S p Skąd d pochodzą siły, które wywołuj ują ciśnienie pod wodą? 3

4 Ciśnienie cd Ciśnienie pod wodą pochodzi od ciężaru znajdujących się nad nurkiem powietrza i wody. I zależne jest od głębokości!!! Ciśnienie całkowite na głębokości h oznaczamy p(h) : 0 - p atmosferyczne =po p(h) = p atmosferyczne + p hydrostatyczne (h) p(h) = p o + p h (h) Jest to prawo Torricelli ego p hydrostatyczne = ph(h) h - p(h) 4

5 Jednostki ciężaru i ciśnienia stosowane przy obliczeniach dotyczących techniki nurkowej Jako jednostkę siły (ciężaru) stosujemy: 1 kg (kilogram-siła), jako jednostkę ciśnienia atmosferę: 1 at = 1 kg/cm 2. 1 kg (kilogram-si siła) to siła a z jaką Ziemia przyciąga masę 1 kg. Masa jest własnow asnością ciała, a, a jego cięż ężar (siła a przyciągania) zależy także e od wielkości pola grawitacyjnego, w którym ciało o się znajduje. Na przykład na Księż ężycu ciało o o masie 1 kg będzie ważyło o tylko około 0,16 kg. O wielkości grawitacji świadczy wartość przyspieszenia jakie osiąga spadające w nim swobodnie ciało. Zmierzono wartość przyspieszenia ziemskiego i średnio wynosi ono: g = 9,81m/s 2 Możemy zapisać: Q=mg, gdzie m - masa ciała a w kg, Q - cięż ężar ciała w Niutonach. masa 1 kg waży y na Ziemi 9,81 N Czyli: 1 kg=9,81 N Niuton (N) to jednostka siły układu SI, stosowana w fizyce. 5

6 Jednostki ciśnienia spotykane w technice nurkowej atmosfera techniczna => 1 at = 1 kg/cm 2 atmosfera fizyczna => 1 Atm = 760 mm Hg to ciśnienie średnie jakie wywołuje atmosfera Ziemi na poziomie morza. Obliczenia ułatwia u fakt, że: 1 Atm = 1,033 at 1 at Paskal => 1 Pa = 1 N/m 2 - jednostka układu SI Bar => 1 bar = Pa - jedn. pochodna od Pa Ponieważ 1 kg = 9,81 N i 1 m 2 = cm 2, to: 1 at =1 kg/cm 2 = Pa 0,1 MPa = 1 bar Zatem: 1 Atm 1 at 0,1 MPa=1 bar Megapaskal 1 MPa = Pa 6

7 Ile waży 1 litr wody? 1 litr (1dm 3 ) wody H 2 O waży 1kG. Zatem ciężar właściwy wody słodkiej wynosi:δ H 2 O = 1kG/1litr =1 kg/dm kG! Uwaga: Ciężar właściwy słonej wody morskiej jest większy i wynosi: od 1,002 kg/dm 3 (północny Bałtyk) do 1,038 kg/dm 3 (oceany). W słonych bezodpływowych jeziorach np. w Morzu Martwym ciężar właściwy wody może być jeszcze większy. 10cm 2 Jaka jest wartość ciśnienia p h (h) pochodzącego od ciężaru wody, czyli ciśnienia hydrostatycznego? 10cm H 2 O 10cm 1 litr=1dm 3 7

8 Ciśnienie hydrostatyczne Wyobraźmy sobie słup wody o wysokości 10 metrów i podstawie S=1cm 2. 0m Jaki jest ciężar takiego słupa wody? Objętość takiego słupa wody to: V =S h = 1cm2 10m = = 1cm 1cm 1000cm = 10cm 10cm 10cm Zatem jego ciężar wynosi 1kG. Słup taki uciska z siłą 1kG na powierzchnię 1cm 2, czyli wywołuje ciśnienie: p = 1 kg/cm 2 = 1at = = 1dm 3 h=10 metrów S=1cm 2 Q=1kG 8

9 Ciśnienie absolutne W praktyce przyjmujemy, że: p o = 1Atm = 1 at Uwaga! Przy nurkowaniu w górach p o <1at Zatem ciśnienie całkowite na głębokości h wynosi: p(h) = p o + p h (h) = = 1 at + (h/10) at 0 - p atmosferyczne =po Przykład: Jakie ciśnienie panuje na głębokości 20m? p(20m)=1 at+(20/10) at=3 at p hydrostatyczne = ph(h) h - p(h) 9

10 Ciśnienie absolutne cd Jakie ciśnienie pochodzi od słupa cieczy o ciężarze właściwym δ cieczy, wysokości h i podstawie S? p O 0m p h (h)= Q V S = słupa upa δ cieczy S p h (h) ) = h δ cieczy = h S δ cieczy S h Zatem całkowite ciśnienie w cieczy na głęg łębokości h wynosi: p(h) ) = p O + h δ cieczy Q S 10

11 Wpływ ciśnienia na organizm człowieka pod wodą Przykład: Jaka siła a działa a na każdy dm 2 ciała a nurka na głęg łębokości 40 metrów w pod wodą? p o - Jest to siła a 500kG!!! na każdy dm 2 ciała a nurka. Jak organizm człowieka znosi tak duże e obciąż ążenia? p(40m) (40m)=5at 11

12 Wpływ ciśnienia na organizm człowieka pod wodą Prawo Pascala: W cieczy lub gazie, które znajdują się w stanie spoczynku w zamkniętym naczyniu, ciśnienie zewnętrzne przenoszone jest jednorodnie we wszystkich kierunkach. p zewnętrzne p(h) p(h) p(h) p(h) r 1 =r 2 r 1 r 2 12

13 Wpływ ciśnienia na organizm pod wodą + - ` + p zgniecenie = squeeze występuje przy zanurzaniu barotrauma występuje przy wynurzaniu 13

14 Prawo Archimedesa Siła a wyporu: W = F 2 - F 1 = S p(h 2 ) - S p(h 1 ) = =S { p o + p h (h 2 )- p o - p h (h 1 )}=S {h 2 δ cieczy -h 1 δ cieczy cieczy } = cieczy =S {h 2 - h 1 } δ cieczy = S H δ cieczy = V ciała δ cieczy 0 - h 1 - H W F 1 F 2 po p(h 1 ) F 2 = F 1 = S p(h 2 ) S p(h 1 ) Pamiętamy, że: p h (h) = h δ cieczy h 2 - p(h 2 ) W=V ciała δ cieczy V cia δ cieczy ciała - objęto tość ciała cieczy - cięż ężar właściwy w cieczy 14

15 Regulacja pływalności Q > W - ciało tonie Q < W - ciało wypływa ywa Q = W - zawieszenie w toni Cięż ężar człowieka Q jest w przybliżeniu (+/- 2kG) równy sile wyporu W,, jaka działa a na niego, przy zanurzeniu w H 2 O. W - zależy y od zasolenia wody. W -regulujemy zmianą objęto tości płuc, skafandra, jacketu itp. Q - regulujemy dobierając c balast. Uwaga: w trakcie nurkowania zmienia się cięż ężar gazu w butli. W = Vciała δ cieczy W- siła wyporu środek geometryczny środek cięż ężkości Q - cięż ężar Ciało o będzie b się obracało, o, aża środek cięż ężkości znajdzie się pod środkiem geometrycznym. 15

16 Regulacja pływalności Morze Martwe - średnie zasolenie 26%. cieczy 1,2kG/dm Jaka jest siła a wyporu działaj ająca na nurka w Morzu Martwym? Zakładamy, adamy, że e ciało dorodnego nurka waży 80 kg, więc jego objęto tość wynosi około Vciała = 80 dm 3 Zatem siła a wyporu działaj ająca na całkowicie zanurzonego nurka to: Wyprawa AKP KRAB Tridacna II 1988/89 Człowiek bez użycia u balastu ( ok. 16 kg ) nie jest w stanie zanurzyć się w Morzu Martwym. δ cieczy W = Vcia 1,2kG/dm 3 ciała δ cieczy = = 80dm 3 1,2kG/dm 3 Ostatecznie: W = 96kG 16

17 Prawa gazowe Człowiek nie potrafi oddychać tlenem rozpuszczonym w wodzie i przy dłuższym d pobycie pod wodą zmuszony jest do oddychania spręż ężonymi mieszankami gazów. Wynika stąd d wiele niebezpieczeństw!!! Dlatego tak ważnym jest poznanie i umiejętne stosowanie podstawowych praw gazowych. 17

18 Prawa gazowe przydatne w technice nurkowej: 1. Prawo Pascala. O rozkładzie ciśnienia w gazie. 2. Prawo Daltona. O wartościach ciśnień w mieszaninach gazów. 3. Prawo gazu doskonałego. O zależności ciśnienia, objętości i temperatury gazów. 4. Prawo Henry ego ego. O rozpuszczalności gazów w cieczach. 18

19 Prawa gazowe Mieszanki oddechowe podawane sąs pod wodą pod ciśnieniem panującym w otoczeniu nurka. Np: Na głęg łębokości 30 metrów w pod ciśnieniem 4 at. Najprostszą mieszanką oddechową jest powietrze, którym oddychamy na co dzień. Nawet dobrze znane nam powietrze, podawane w wyższych ciśnieniach staje się dla człowieka toksyczne!!! 19

20 Prawo Daltona Ciśnienie całkowite mieszaniny gazów w jest sumą ciśnie nień parcjalnych poszczególnych składnik adników: p c = p 1 + p 2 + p p n Przykład: Ile wynosi ciśnienia całkowite otaczającego cego nas powietrza, jeżeli eli ciśnienia parcjalne składnik adników w to: po 2 = 0,21 at pn 2 = 0,78 at pco 2 = 0,01 at Wynosi: p c = 0,21 at + 0,78 at + 0,01 at = 1 at Uwaga: W rzeczywistości ci w powietrzu występuj pują też inne gazy (głównie szlachetne), a zawartość CO 2 w świeżym powietrzu jest dużo o niższa. 20

21 Przykład zastosowania prawa Daltona Do obliczeń przyjmujemy, że e powietrze składa się tylko z dwóch gazów: tlenu O 2 (20%) i azotu N 2 (80%), a ich ciśnienia parcjalne w naszym otoczeniu (p C =1at) wynoszą: po 2 = 0,20 at pn 2 = 0,80 at, bo: 0,20at+0,80at =1 at Pytanie: Ile wyniosą ciśnienia parcjalne O 2 i N 2 w powietrzu wdychanym przez nurka na głęg łębokości 20m (p C =3at)? 1. Z prawa Daltona wynika: po 2 + pnp 2 = 3at 2. Proporcje tlenu (20%) i azotu (80%) są zachowane. Odp: Ciśnienia te na głęg łębokości 20m wyniosą odpowiednio: po 2 = 0,60 at pn 2 = 2,40 at, bo: 0,6 at + 2,4 at = 3 = 3 at 21

22 Ciśnienie parcjalne tlenu Dopuszczalny zakres ciśnienia parcjalnego tlenu Tlen: po 2 =0,20at 1,6at Konieczny do oddychania, ale dla pop 2 > 1,6at neurotoksyczny. Istotny jest czas ekspozycji. Przykład: Na jaką maksymalną głębokość można zanurkować mając c butlę nabitą powietrzem? po 2 = 20% p p = pop 2 / 20% => p = 1,6 / 20% = 8 at Odpowiedź: Maksymalna głęg łębokość to 70 m 22

23 Prawo gazu doskonałego pv T = nr, gdzie p ciśnienie gazu V objęto tość gazu T temperatura gazu n liczba moli gazu [ o K ] R stała a gazowa Prawo to w dobrym przybliżeniu opisuje zachowanie mieszanin oddechowych. 0 o K -273 o C 273 o K 0 o C 23

24 Prawo gazu doskonałego Dla pewnych szczególnych sytuacji prawo to możemy upraszczać.. Na przykład dla zamkniętej ilości gazu, czyli dla liczby moli gazu n = const otrzymamy: pv T = const dla n=const (zamknięta ilość gazu) 24

25 Prawo gazu doskonałego dla n=const : pv = const T T=const p=const pv = const Prawo Boyle a-mariotte Mariotte a V = const T Prawo Gay-Lussaca V=const p = const T Prawo Charlesa 25

26 Prawo Boyle a-mariotte a Prawo gazu doskonałego dla n=const i T=const : pv = const 0 m - - 1at V=6litrów 5 m - - 1,5at przy zanurzaniu: przy wynurzaniu: p p V V Głębokość 10 m - Ciśnienie - 2at V=3litry V=3litry 26

27 Prawo Boyle a-mariotte a 0 m - - 1at V=6 litrów 5 m - - 1,5at Głębokość Ciśnienie 10 m - V=3 litry - 2at V=6litrów 27

28 Prawo Charlesa Prawo gazu doskonałego dla n=const i V=const : p = const T T[ o 0 K] p=250at T= 5 o C 278 o K przy ogrzewaniu: przy ochładzaniu: T T p p Nurek nabił butlę powyżej nominalnego ciśnienia 200at Pozostawił ją na plaży i czekał na nastanie dnia. 28

29 Prawo Charlesa 250at 323o K 278 o K 290at 290at 300o K 323 o K 270at p=290at p=250at 0 T=50 o C 323 o K T= 5 o C 278 o K p=290at T=50 o C 323 o K p=270at T=27 o C 300 o K Tak wysokie ciśnienie w butli grozi jej rozerwaniem!!! 0 Uwaga! Nie nabijaj butli powyżej ciśnienia nominalnego!!! Chroń butle przed nagrzaniem, np. trzymając je w wodzie 29

30 Prawo Henry ego Stęż ężenie gazu rozpuszczonego w cieczy, znajdującego się w równowadze z fazą gazową,, jest proporcjonalne do ciśnienia p Stęż ężenie rozpuszczonego w cieczy gazu zależy y równier wnież od: rodzaju gazu i cieczy, temperatury układu, czasu ekspozycji. 30

31 Straty światła słonecznego w atmosferze i wodzie β pochłanianie rozpraszanie odbicie Ilość światła odbitego od powierzchni wody zależy od kąta jego padania na lustro wody: dlaβ=40 O odbicie 5% dlaβ= = 5 O odbicie 40% pochłanianie rozpraszanie Wniosek: Pod wodę dociera mało światła, a, a o zmierzchu gwałtownie robi się ciemno. Warto więc c na wieczorne nurkowania zabierać latarkę. 31

32 Tłumienie promieniowania widzialnego w wodzie 0m 1m 5m 7m 15m 7000Å 3500Å długość fali 60m Głębokość 400m 32

33 Jak widzimy w wodzie? n 1 =1,000 n 2 =1,333 33

34 Jak widzimy w wodzie? W masce nurkowej obiekty pod wodą widzimy większe i bliższe niż są one w rzeczywistości. ci. 75% x 25% x Niech np. x = 1,33m x - odległość obrazu rzeczywistego Wówczas odległość obrazu pozornego wyniesie: 1,33 m 75% m 1m 34

35 Upośledzenie słuchu propagacja fal akustycznych Prędko dkość rozchodzenia się fal akustycznych w wodzie jest pięciokrotnie większa niż w powietrzu i wynosi: 1500 m/s. Prędko dkość ta jest na tyle duża, że e nie możemy rozróżni nić czasu, w jakim dźwid więk k dochodzi do poszczególnych uszu i w efekcie nie potrafimy ustalić kierunku źródła a dźwid więku. Nieści ciśliwość wody powoduje, że e fale akustyczne rozchodzą się szybko i na duże e odległości. Szczególnie niebezpieczne sąs dla nurka fale pochodzące ce od echosond i podwodnych wybuchów. w. Dźwięk k praktycznie nie przekracza granicy woda-powietrze. 35

36 Wychładzanie organizmu człowieka w wodzie Przewodnictwo cieplne wody jest 25 razy większe od przewodnictwa cieplnego powietrza. Powoduje to szybką utratę ciepła a człowieka w wodzie. Prędko dkość wyrównywania wnywania temperatur jest wprost proporcjonalna do różnicy r temperatur ciał. Spowalniamy wychłodzenie ciała a używaju ywając c izolacji cieplnej, jaką stanowią skafandry nurkowe. 36

37 Materiały dodatkowe Skrypt klubowy (m.in. zadania) Rozszerzona wersja prezentacji Nurkomania podręcznik G.Zieleniec Nurkowanie 37